CN112124547A - 一种翼型风帆 - Google Patents

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陈纪军
李永成
司朝善
潘子英
李明政
姚木林
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    • B63H9/04—Marine propulsion provided directly by wind power using sails or like wind-catching surfaces
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Abstract

本发明涉及风帆技术领域，尤其是一种翼型风帆，包括风帆本体，风帆本体的上端和下端分别安装有水平的端板，端板的四周边缘悬伸在风帆本体的端面之外；或者包括风帆本体，风帆本体为曲面状，风帆本体自上而下向风帆本体的一侧扭曲；或者包括风帆本体，风帆本体的上端和下端分别安装有水平的端板，端板的四周边缘悬伸在风帆本体的端面之外，风帆本体为曲面状，风帆本体自上而下向风帆本体的一侧扭曲。扭曲设计可使得不同高度处的翼型风帆剖面达到最佳的气流攻角，最大限度提高风帆的助推效果，端板有效抑制了风帆本体端部风流动分离，可有效提高上端、下端部的气动特性，并使得风帆整体的助推效果得到进一步的提高。

Description

一种翼型风帆
技术领域
本发明涉及风帆技术领域，尤其是一种翼型风帆。
背景技术
风能是一种安全、清洁的自然资源，船用翼型风帆是将风能直接转化为船舶辅助动力的绿色节能装置，其助推原理是利用风帆在气流攻角下产生的气动力在船舶前进方向上产生的推力分量实现助推的。因此，翼型风帆的设计、开发是船用风帆助推技术研究的重要方向之一。
船用翼型风帆剖面类型多样，有椭圆弧形、翼型等，均可利用气流攻角实现水中航行船舶的助推。实质上，由于水面的存在，海上的风都是梯度风，即风速在垂向高度上是自海平面向上是不断增大的。当船舶在此类环境中以一定航速航行时，根据速度三角形法则，船舶甲板面以上不同高度处的相对风速及相对风向是不同的。在此条件下，对于加装的传统船用翼型风帆(垂向最大高度往往超过30m-50m)，不同高度处的风帆剖面气流攻角是不同的。以船舶在设计吃水状态航速12kn航行，并受侧风(绝对风向角90°，海平面以上10m高度处风速U10＝10m/s)为例，风帆最下沿及最上沿的相对风向角偏差超过了5°，由此必然不能同时使得不同高度处的风帆剖面气动力特性(升力特性、推力特性)达到最佳，同时因失速影响，有些高度剖面甚至气动力特性大幅下降，与之对应的，也必然不能发挥不同高度处风帆剖面的最大助推效果。
发明内容
本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种翼型风帆，可使得不同高度处的风帆剖面都能够获得最佳的气流攻角，从而充分发挥垂向不同高度的风帆剖面助推效果，并实现风帆整体在来风条件下的高效助推，降低船舶推进主机的输出功率及燃油消耗、温室气体减排，提高风帆经济性、环保性及工程应用价值。
本发明所采用的技术方案如下：一种翼型风帆，包括风帆本体，风帆本体的上端和下端分别安装有水平的端板，端板的四周边缘悬伸在风帆本体的端面之外。
一种翼型风帆，包括风帆本体，风帆本体为曲面状，风帆本体自上而下向风帆本体的一侧扭曲。
一种翼型风帆，包括风帆本体，风帆本体的上端和下端分别安装有水平的端板，端板的四周边缘悬伸在风帆本体的端面之外，风帆本体为曲面状，风帆本体自上而下向风帆本体的一侧扭曲。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述风帆本体的水平横截面为翼型。
所述风帆本体的水平横截面为U型，U型的两侧壁的厚度小于两侧壁之间相连的连接臂的厚度。
各垂向高度处的的翼型风帆剖面扭曲角度确定方法：
假定船舶营运航线所历经的大气风剖面满足1/8指数律分布，则不同垂向高度处的风速可按如下确定：
Figure BDA0002735776460000021
式中，z为距离海平面的垂向高度值，U10为距离海平面垂向高度为10m处的风速，UZ为距离海平面垂向高度为z处的风速。
记风帆最下沿距离海平面垂向高度为zdown，该处来风的风向与10m高度处的风向相同，记为ψ，该处来风的风速U风down可根据公式(1)确定；记船速为U船，则风帆最下沿处的相对风速及相对风向角可根据速度三角形法则确定(相对风速及相对风向角为在运动船体中所感知的风速、风向，是船速和大地风速的合成)，具体地：
Figure BDA0002735776460000022
Figure BDA0002735776460000023
以风帆最下沿处为基准，则不同垂向高度处的来风相对角度与最下沿处的来风相对角度偏差为设计的扭曲角度。例如，距离风帆最下沿i高度处剖面的相对风速及风向计算如下：
Figure BDA0002735776460000024
Figure BDA0002735776460000025
Figure BDA0002735776460000026
距风帆下沿垂向高度i处的风帆剖面相对风帆最下沿剖面的扭曲角度α为：
α＝ψai-ψadown (7)
本发明的有益效果如下：
1、基于速度三角形法则，根据航行船舶设计航速及梯度来风风剖面的特点，提出的扭曲式翼型风帆方案，即将风帆本体自上而下扭曲设计，可使得不同高度处的翼型风帆剖面达到最佳的气流攻角，从而可使得各高度处的翼型风帆剖面气动力特性达到最佳，并从整体上最大限度提高风帆的助推效果。
2、通过在风帆本体的上端、下端部增加端板，有效抑制了风帆本体端部风流动分离，可有效提高上端、下端部的气动特性，并使得风帆整体的助推效果得到进一步的提高。
附图说明
图1是当风帆本体为翼型时本发明实施例一的结构图。
图2是当风帆本体为U型时本发明实施例一的结构图。
图3是当风帆本体为翼型时本发明实施例二的结构图。
图4是当风帆本体为U型时本发明实施例二的结构图。
图5是当风帆本体为翼型时本发明实施例三的结构图。
图6是当风帆本体为U型时本发明实施例三的结构图。
图7是海面梯度风中帆下沿和帆面不同高度处的绝对风速大小示意图。
图8是风帆帆面不同高度处的相对风向角计算示意图。
图9是风帆帆面下沿处的相对风向角计算示意图。
图10是风帆的安装示意图。
图11是图10中AA向剖视图。
图12是图11中BB向剖视图。
图13是BB处风帆剖面相对风帆最下沿AA处剖面的扭曲角度示意图。
其中：10、风帆本体；20、端板。
具体实施方式
下面结合附图1-13，说明本发明的具体实施方式。
实施例一的翼型风帆，包括风帆本体10，风帆本体10的上端和下端分别安装有水平的端板20，端板20的四周边缘悬伸在风帆本体10的端面之外。
实施例二的翼型风帆，包括风帆本体10，风帆本体10为曲面状，风帆本体10自上而下向风帆本体10的一侧扭曲。
实施例三的翼型风帆，包括风帆本体10，风帆本体10的上端和下端分别安装有水平的端板20，端板20的四周边缘悬伸在风帆本体10的端面之外，风帆本体10为曲面状，风帆本体10自上而下向风帆本体10的一侧扭曲。
其中，风帆本体10的水平横截面为翼型。
或者，风帆本体10的水平横截面为U型，U型的两侧壁的厚度小于两侧壁之间相连的连接臂的厚度。
各垂向高度处的的翼型风帆剖面扭曲角度确定方法：
假定船舶营运航线所历经的大气风剖面满足1/8指数律分布，则不同垂向高度处的风速可按如下确定：
Figure BDA0002735776460000041
式中，z为距离海平面的垂向高度值，U10为距离海平面垂向高度为10m处的风速，Uz为距离海平面垂向高度为z处的风速。
记风帆最下沿距离海平面垂向高度为zdown，该处来风的风向与10m高度处的风向相同，记为ψ，该处来风的风速U风down可根据公式(1)确定；记船速为U船，则风帆最下沿处的相对风速及相对风向角可根据速度三角形法则确定(相对风速及相对风向角为在运动船体中所感知的风速、风向，是船速和大地风速的合成)，具体地：
Figure BDA0002735776460000042
Figure BDA0002735776460000043
以风帆最下沿处为基准，则不同垂向高度处的来风相对角度与最下沿处的来风相对角度偏差为设计的扭曲角度。例如，距离风帆最下沿i高度处剖面的相对风速及风向计算如下：
Figure BDA0002735776460000044
Figure BDA0002735776460000045
Figure BDA0002735776460000046
距风帆下沿垂向高度i处的风帆剖面相对风帆最下沿剖面的扭曲角度α为：
α＝ψai-ψadown (7)
本申请具有以下优点：
1、基于速度三角形法则，根据航行船舶设计航速及梯度来风风剖面的特点，提出的扭曲式翼型风帆方案，即将风帆本体10自上而下扭曲设计，可使得不同高度处的翼型风帆剖面达到最佳的气流攻角，从而可使得各高度处的翼型风帆剖面气动力特性达到最佳，并从整体上最大限度提高风帆的助推效果。
2、通过在风帆本体10的上端、下端部增加端板20，有效抑制了风帆本体10端部风流动分离，可有效提高上端、下端部的气动特性，并使得风帆整体的助推效果得到进一步的提高。
通过以上论证及说明可知，本发明所述的扭曲式翼型风帆方案充分利用了流体动力学的特点，具有优良的助推特性，应用本申请所述高性能风帆方案，可显著降低船舶推进主机输出功率，降低燃油消耗及温室气体排放，提高风帆助推经济性及环保性，具有广阔的工程应用前景。
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (6)

1.一种翼型风帆，其特征在于：包括风帆本体(10)，风帆本体(10)的上端和下端分别安装有水平的端板(20)，端板(20)的四周边缘悬伸在风帆本体(10)的端面之外。
2.一种翼型风帆，其特征在于：包括风帆本体(10)，风帆本体(10)为曲面状，风帆本体(10)自上而下向风帆本体(10)的一侧扭曲。
3.一种翼型风帆，其特征在于：包括风帆本体(10)，风帆本体(10)的上端和下端分别安装有水平的端板(20)，端板(20)的四周边缘悬伸在风帆本体(10)的端面之外，风帆本体(10)为曲面状，风帆本体(10)自上而下向风帆本体(10)的一侧扭曲。
4.如权利要求1-3任一所述的翼型风帆，其特征在于：所述风帆本体(10)的水平横截面为翼型。
5.如权利要求1-3任一所述的翼型风帆，其特征在于：所述风帆本体(10)的水平横截面为U型，U型的两侧壁的厚度小于两侧壁之间相连的连接臂的厚度。
6.如权利要求2或3所述的翼型风帆，其特征在于：各垂向高度处的翼型风帆剖面扭曲角度确定方法：
假定船舶营运航线所历经的大气风剖面满足1/8指数律分布，则不同垂向高度处的风速可按如下确定：
Figure FDA0002735776450000011
式中，z为距离海平面的垂向高度值，U10为距离海平面垂向高度为10m处的风速，UZ为距离海平面垂向高度为z处的风速；
记风帆最下沿距离海平面垂向高度为zdown，该处来风的风向与10m高度处的风向相同，记为ψ，该处来风的风速U风down可根据公式(1)确定；记船速为U船，则风帆最下沿处的相对风速及相对风向角可根据速度三角形法则确定(相对风速及相对风向角为在运动船体中所感知的风速、风向，是船速和大地风速的合成)，具体地：
Figure FDA0002735776450000012
Figure FDA0002735776450000013
以风帆最下沿处为基准，则不同垂向高度处的来风相对角度与最下沿处的来风相对角度偏差为设计的扭曲角度,距离风帆最下沿i高度处剖面的相对风速及风向计算如下：
Figure FDA0002735776450000021
Figure FDA0002735776450000022
Figure FDA0002735776450000023
距风帆下沿垂向高度i处的风帆剖面相对风帆最下沿剖面的扭曲角度α为：
α＝ψai-ψadown (7) 。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN115042947A (zh) * 2022-06-28 2022-09-13 中国船舶科学研究中心 扭曲翼型风帆及其设计方法
CN115056954A (zh) * 2022-06-28 2022-09-16 中国船舶科学研究中心 船用变截面转动柱体及其设计方法

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